带级间冷却的两级大流量斜流压缩机的制作方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明涉及压缩机技术领域，具体涉及一种透平式压缩机结构，其特别适用于110000?150000Nm3/h量级的空分机组。
【【背景技术】】
[0002]大流量的透平式压缩机一般用于冶金、石油化工等装备的压缩设备，如空气分离装置，且一般采用闭式叶轮。两台压缩机背靠(背靠背)安装，能有效减小施加在轴承上的轴向力，达到延长轴承寿命的效果，且结构紧凑，利于布置中间冷却装置。(参见中国发明专利公开“一种背靠背型两级离心式压气机的轴向力控制方法”，公开号:CN102828984A，公开日:2012.12.19)。
[0003]空分机组压缩机的结构形式很大程度上取决于其流量和压比的大小。中小流量的空分机组常采用单级或多级离心压缩机结构；大流量的空分机组尽管也多采用多级离心结构，但已接近离心压缩机的设计极限；特大量级(80000Nm3/h)以上的空分机组目前仅有多级轴流+离心结构获得了比较好的效果，如曼透平公司的AR-MAX1系列复合空分机组即采用6?8级轴流段+1?3级离心段+0?2台中冷器结构实现了 3000?7000t/d 02的目标，最高压力可达25bar。(参见曼透平官网产品介绍和文档资料“http://turbomachinery.man.eu/products/compressors/axial，，)
[0004]随着装备大型化趋势的发展，压缩机流量和负荷不断加大，并且对结构紧凑等的限制要求越来越高，多级离心压缩机第一级的设计难度逐渐增大，尤其在大流量(或大流量系数)的要求下更是如此。尽管可以通过叶轮局部切削提升大流量系数离心叶轮性能，但效果并不十分理想。(参见文献 Wang Y S, Wang K, Lin F, et al.Performance analysisand improvement of a high flow coefficient centrifugal compressor[J].ScienceChina, 2014，57 (8): 1647-1657.)在大流量(或大流量系数)下，多级离心压缩机的第一级叶轮容易出现出口相对宽度b2/D2超出离心叶轮常规设计范围，且在轮盖折转处易导致气流严重分离的问题，使叶轮压比和效率急剧下降，从而制约了纯粹的多级离心压缩机在特大、超大量级的压缩设备中的应用。
[0005]尽管多级轴流压缩机具有流道平滑、高压比时效率较高等优点，用于替代1?2级离心压缩机作为压缩装置的低压段也取得了较满意的效果，但其本身缺点也比较明显:(1)零部件数量多，加工成本高；(2)叶片抗畸变和抗沾污特性差；(3)单级增压比低，且随着级数的增多，末尾几级增压能力减弱，效率降低；(4)级间匹配困难，稳定工作范围小，为了扩大喘振裕度常采用可调静子或机匣处理，进而又增加了结构复杂性。
[0006]斜流压缩机结合了轴流压缩机大流量(或大流量系数)、高效率以及离心压缩机结构简单易于制造、可靠性高、压比高的特点，其流道型线在轮盖侧的折转相对平缓，削弱了气流在叶轮轮盖折转处的分离，也减小了轮盖侧叶片的扩压度，可用于解决大流量空分机组第一级压缩机性能恶劣的问题，同时能提高第二级压缩机性能。两级斜流压缩机可以避免多级轴流压缩机所存在的上述弊端，可用于替代多级轴流结构以提高机组整体性能。两级斜流压缩机结构能改善两级斜流-离心组合压缩机结构中第二级离心压缩机的非设计点性能，拓宽机组喘振裕度和堵塞极限。但目前用于大流量空分装置的斜流叶轮和斜流压缩机尚处于探索阶段，因为商业保密，公开文献极少。
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【发明内容】
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[0007]本发明的目的在于提供一种带级间冷却的两级大流量斜流压缩机，以克服传统多级离心式压缩机难以适应特大流量空分机组需求以及在大流量(或大流量系数)下第一级压缩机性能恶劣的问题；本发明结构简单紧凑、压缩功耗小且稳定可靠，能够满足特大、超大量级空分机组的需求。
[0008]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0009]一种带级间冷却的两级大流量斜流压缩机，其特征在于:包括第一级斜流压缩机和第二级斜流压缩机；第一级斜流压缩机包括第一级斜流叶轮、第一级斜流无叶扩压器和第一级蜗壳；第二级斜流压缩机包括第二级斜流叶轮、第二级斜流无叶扩压器和第二级蜗壳；在两级斜流压缩机之间连接一个中间冷却器，中间冷却器进口与第一级蜗壳出口相连，中间冷却器出口与第二级斜流压缩机回流通道进口相连；两级斜流压缩机的叶轮均为含分流叶片的闭式斜流叶轮，叶轮同轴背靠安装。
[0010]进一步的，所述带级间冷却的两级大流量斜流压缩机的流量为175?240kg/s ;第一级斜流压缩机总压比为1.5?3.0，第二级斜流压缩机总压比为1.5?2.3。
[0011]进一步的，第一级斜流叶轮和第二级斜流叶轮的轴向长度比L/D2均为0.40?
0.65 ;第一级斜流叶轮和第二级斜流叶轮的叶片出口相对宽度b2/D2均为0.08?0.16 ;第一级斜流叶轮和第二级斜流叶轮的出口轮盘切线与轴线所成锥角Θ均为30°?75° ;其中，L为叶轮轴向长度，D2为叶轮叶片出口平均直径，b 2为叶轮叶片出口宽度。
[0012]进一步的，第一级斜流叶轮和第二级斜流叶轮的斜流叶轮主叶片前缘和分流叶片前缘的叶顶连线与轴线所成夹角9sl均为0°?8° ;第一级斜流叶轮和第二级斜流叶轮的分流叶片前缘均位于主叶片弦长30%?65%处。
[0013]进一步的，第一级斜流叶轮叶片进口相对直径Di/Dp0.72 ;第一级斜流叶轮采用前端明显轴向特征+尾端大曲率结构；其中，前端明显轴向特征的结构具体为:第一级斜流叶轮主叶片前缘和第一级斜流叶轮分流叶片前缘之间的叶顶倾角Θ sl<8° ;尾端大曲率结构具体为:斜流叶轮主叶片叶顶弦长70%?85%位置开始至尾缘的叶片区域，其叶顶平均曲率是其余区域叶片叶顶平均曲率的2倍以上，第一级斜流叶轮的子午流道型线光滑过渡办为叶轮叶片进口叶顶直径；D2为叶轮叶片出口平均直径。
[0014]进一步的，第二级斜流叶轮叶片进口相对直gD/WS 0.72 ;第二级斜流叶轮采用前端明显轴向特征+叶片中部大曲率结构+尾端固定斜率结构；其中，前端明显轴向特征的结构具体为:第二级斜流叶轮主叶片前缘和第二级斜流叶轮分流叶片前缘之间的叶顶倾角Qsl〈8° ;叶片中部大曲率结构具体为:从分流叶片前缘开始至主叶片叶顶弦长70%?85%位置截止的叶片区域，其平均曲率是其余区域叶片叶顶平均曲率的2倍以上，第二级斜流叶轮的子午流道型线光滑过渡；尾端固定斜率结构具体为:从主叶片叶顶弦长70%?85%位置开始至叶片尾缘截止的叶片区域，其轮盘曲线和叶顶曲线分别为一固定斜率值，其中轮盘曲线的斜率值为tan θ ;θ为第二级斜流叶轮的出口处轮盘切线与轴线所成锥角办为叶轮叶片进口叶顶直径；D2为叶轮叶片出口平均直径。
[0015]进一步的，第二级斜流叶轮叶片进口相对直gD/WS 0.72 ;第二级斜流叶轮采用前端明显轴向特征+叶片中后部均匀曲率结构；其中，前端明显轴向特征的结构具体为:第二级斜流叶轮主叶片前缘和第二级斜流叶轮分流叶片前缘的叶顶倾角Θ sl<8° ;叶片中后部均匀曲率结构具体为:从分流叶片前缘开始至叶片尾缘截止的叶片区域，其叶顶曲线的曲率相差不超过20%，宏观上表现为子午流道均匀折转为叶轮叶片进口叶顶直径；D2为叶轮叶片出口平均直径。
[0016]进一步的，第二级斜流无叶扩压器与第一级斜流无叶扩压器结构相同，通道面积从入口到出口均先减小后增大，其中入口到喉部之间的收缩段流道弯曲；各斜流无叶扩压器的进口轮盘倾角与对应斜流叶轮出口轮盘倾角相同；斜流级无叶扩压器喉部处与进口处的面积之比k氣为0.95?1.0 ;第一级斜流无叶扩压器的平均直径之比D 3/D2为1.10?
1.35 ;其中，A2为叶轮叶片出口面积；A3为斜流扩压器喉部面积；D2为叶轮叶片出口平均直径；D3为斜流扩压器喉部平均直径。
[0017]进一步的，第一级斜流无叶扩压器与第二级斜流无叶扩压器从斜流扩压器进口处至喉部的流道均有一定角度的折转，其折转角度为90° -θ，Θ为各斜流叶轮出口处轮盘切线与轴线所成的锥角。
[0018]相对于现有技术，本发明具有以下有益效果:
[0019](1)本发明能满足特大、超大量级空分机组，尤其是110000?150000Nm3/h量级空分机组对于大流量压缩机的需求，并能克服大流量空分机组第一级设计困难的问题。。
[0020](2)与采用离心压缩机作为空分机组压缩机的第一级的情况相比，采用本发明所述结构的斜流压缩机作为第一级，能有效解决大流量(或大流量系数)条件下采用离心压缩机作为第一级时所出现的叶轮出口分离严重，压缩机性能不足的问题。
[0021](3)与采用多级轴流压缩机结构作为空分机组低压段的情况相比，两级斜流压缩机结构比多级轴流结构具有更宽的工作范围，叶片积垢对性能的影响没有多级轴流结构明显，对于提高机组稳定性，拓宽压缩机工况范围有明显的作用。同时，采用两级斜流压缩机结构取代多级轴流-离心压缩机结构能够减少压缩机零部件数量，简化结构，降低轴系设计难度，减少加工、安装和维护成本，提高叶片抗